走近美國深空測控網(wǎng)

□ 謝 懿/編譯

如果你認為和一個正在太陽系中遨游的探測器通話是一項挑戰(zhàn)的話，那么你可以想象一下和30個探測器保持聯(lián)系會是什么樣的情景。美國航宇局的這些遠征軍究竟是如何往家里“打電話”的呢……

50年來美國航宇局（NASA）深空測控網(wǎng)（DSN）所接收過數(shù)據(jù)的探測器名單讀起來就像是人類太陽系無人探測的名人錄，“先驅者”號、“水手”號、 “旅行者”號、“伽利略”、“卡西尼”-“惠更斯”、“深度撞擊”、“勇氣”號、“機遇”號等一一在列。然而，在這些探測任務所發(fā)回的驚人照片和科學結果不斷激發(fā)我們想象的同時，我們似乎卻忽略了這些數(shù)據(jù)是怎樣從太陽系的邊緣躍然到NASA網(wǎng)站之上的。

與它的價值相比，DSN并沒有得到應有的關注。“它是在深空中運轉的探測器和地面之間的生命線，”NASA噴氣推進實驗室（JPL）DSN深空任務系統(tǒng)項目主管邁克爾·羅德里格斯說，“沒有它，就沒有空間探測。”

深空測控網(wǎng)位于西班牙馬德里的70米天線

深空測控網(wǎng)位于澳大利亞堪培拉的70米和34米天線

DSN是同類型中唯一可以為幾十個深空探測任務同時提供服務的系統(tǒng)，而深空探測的官方定義為到地球距離超過190萬千米的探測任務。目前DSN正支持著大約30個探測器，這其中既包括了地球軌道上的一些探測器，也包括了對近地小行星、月球、水星和金星所進行的雷達探測。事實上，DSN位于美國加利福尼亞州金石的50萬瓦雷達是全世界X波段（7千兆赫～12千兆赫）雷達中最強大的。

1991年，通過金石雷達發(fā)現(xiàn)，水星極地環(huán)形山的陰影中似乎存在著本不應存在的冰。這一雷達也可以用來跟蹤近地軌道上的太空垃圾，而有時它甚至還會充當射電望遠鏡的角色。“事實上DSN并不僅僅是一個通訊工具，”羅德里格斯提醒說。

DSN的天線在經(jīng)度上以120°為間隔遍布全球，包括美國加州金石、西班牙馬德里以及澳大利亞的堪培拉。當?shù)厍蜃赞D使得一處的天線無法再和探測器通訊的時候，另一處的天線就會轉到朝向它的位置。羅德里格斯說：“我們可以連續(xù)監(jiān)測位于地球同步軌道以外的任何一個物體。”

當DSN和探測器之間進行通訊的時候，取決于探測器的距離DSN可以在幾厘米到幾米的精度范圍內(nèi)確定它的位置。因此即便DSN無法用來為探測器導航，但它所能提供的信息對于引導任務來說也是至關重要的。

DSN偶爾也會扮演探測任務“救星”的角色。當伽利略木星探測器上的高增益天線無法完全打開的時候，DSN重新配置了地面上的設備以此來使用“伽利略”上的低增益天線。這使得“伽利略”探測任務中80%的科學目標得以實現(xiàn)。

此外，在發(fā)射之后的檢測中發(fā)現(xiàn)歐洲空間局（ESA）的惠更斯探測器和NASA的卡西尼探測器之間存在通訊問題，而前者要依賴后者來向地球發(fā)送數(shù)據(jù)。 “為此我們重新調(diào)配了探測網(wǎng)中的天線來捕捉‘惠更斯’的信號，獲得了更多的信息，”羅德里格斯解釋說。

管理問題

2006年6月，DSN的管理者發(fā)現(xiàn)他們自己一反常態(tài)地成為了關注的焦點。檢修DSN核心設備之一的、馬德里70米天線的工程師發(fā)現(xiàn)，在支持 1,900噸天線的承座上存在裂縫。

更換承座意味著維護時間的翻倍，這將使得它在2007年1月之前都無法投入使用。“當時很多探測任務都計劃要使用這一天線，”羅德里格斯回憶說，“但突然間被告知不能用了，他們不得不重新做出安排，著實造成了不小的恐慌。”

這一事件也使得人們開始更多的關注正在被老化的硬件、延長的探測任務以及不斷增加的新探測器壓得喘不過氣的DSN。就在工程師發(fā)現(xiàn)馬德里的天線存在問題之前幾個月，做為美國國會調(diào)查機構的政府問責辦公室公布了一份報告，報告要求對DSN滿足日益增長需求的能力予以關注。

報告中寫道，DSN正在老化，而且可能會出現(xiàn)越來越多的問題，最后也許會在需求不斷上升的情況下崩潰。由此造成的科學數(shù)據(jù)丟失的風險是難以承受的。

日落時分的金石70米天線

1958年金石方圓數(shù)千米范圍之內(nèi)唯一的建筑就是這個廢棄的礦井

馬德里天線更換承座危及到了當時剛到達火星并且正處于精細軌道調(diào)整階段的環(huán)火星巡邏者。與此同時，卡西尼探測器也正在發(fā)回土星及其衛(wèi)星的大量探測數(shù)據(jù)。由于火星和土星在天空中的距離不到30°，因此這兩個探測項目的管理者都希望在同一時間使用DSN中的同一個天線。

做為補救，DSN“部署”了多個34米的天線，通過綜合它們所獲得的信號來達到原先大型天線所能達到的高傳輸率。一些探測任務不得不為此降低它們的信號傳輸率以此來適應34米的天線。而對于“卡西尼”的科學團隊來說，他們不得不為此來決定哪些觀測數(shù)據(jù)要優(yōu)先發(fā)回地球，而哪些數(shù)據(jù)將就此永遠消失在太空中。

天線陣

不過現(xiàn)在天線陣已經(jīng)不再是一種應急的措施了，它使得任務的管理者可以更好地與探測器之間建立聯(lián)系。這樣一來，對于相同的信號強度就可以擁有更大的通訊帶寬，也意味著更高的數(shù)據(jù)傳輸率。它相當于綜合了許多小天線，使它們像一個大天線一樣工作。按照羅德里格斯的說法，預計于2011年發(fā)射的“朱諾”木星探測器就可能會使用天線陣。目前正前往冥王星的“新地平線”探測器可能也會使用它。

而斯皮策空間望遠鏡則是使用天線陣的常客。“雖然‘斯皮策’距離我們并不是很遠，但是它正在不斷遠離地球，而且它上面的發(fā)射器功率也不是很大，”羅德里格斯解釋說。事實上，“斯皮策”的運轉方式為我們提供了一個一窺探測任務管理者、探測器以及DSN之間如何相互作用的絕佳機會。

2003年8月25日“斯皮策”被發(fā)射到了一條尾隨地球的獨特軌道上。“斯皮策”任務主管查爾斯·斯科特說：“在相同的軌道上‘斯皮策’會尾隨著地球一起繞太陽轉動，而與此同時它也在慢慢遠離地球。”它離開地球的速度大約為每年1800萬千米。

之所以選擇這樣的軌道是為了使得“斯皮策”的太陽能電池板可以一直對著太陽，這樣一來也可以保護望遠鏡免受陽光的直接照射。而在與之相反的另一側，“斯皮策”則是完全暴露在太空中的，沒有任何保護。由于要進行紅外觀測，它上面的望遠鏡也被冷卻到了-248℃。

“斯皮策”發(fā)射時攜帶了360升液態(tài)氦制冷劑。“斯皮策”項目科學家邁克爾·沃納說：“我們已經(jīng)打破了所有使用制冷劑探測器的最長壽命紀錄。”其中的秘訣就是“斯皮策”的軌道。即使不使用制冷劑，“斯皮策”自身的溫度就可以使得它上面搭載的儀器在兩個紅外波段上進行不間斷的觀測。

但是由于它處于尾隨地球的軌道上，因此它也有一個顯著的缺點。“我們很難在想要的數(shù)據(jù)傳輸率下和探測器之間建立通訊，”斯科特說，“當‘斯皮策’越飛越遠的時候，數(shù)據(jù)的傳送速率就會不斷降低。”

先驅者深空測控站天線是深空測控網(wǎng)中的第一個，1985年被定為美國國家歷史標志

“斯皮策”望遠鏡會把高增益天線對準地球用于發(fā)送數(shù)據(jù)和接收指令

由于“斯皮策”上的液氦制冷劑會緩慢地蒸發(fā)，因此科學家們想盡量使得“斯皮策”處于最高效的工作狀態(tài)，這樣就可以在2009年4月底制冷劑耗盡之前完成絕大部分的觀測。

“我們必須盡可能的高效，”斯科特說，而“斯皮策”在紅外波段的表現(xiàn)也相當不錯。從總體來看，到目前為止觀測、指向目標以及校準儀器所花的時間占了總時間的90.64%。

“而高效的一部分則來自于數(shù)據(jù)的高速下行傳輸，”斯科特解釋說，“我們通常采用的下行傳輸速率為每秒2.2兆。當然隨著‘斯皮策’在不斷遠離地球，我們不得不采用更大口徑的天線才能做到這一點。”

在發(fā)射的時候，單個34米的天線就能接收“斯皮策”的數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)在則必須要用70米的天線。在DSN中只有3個這么大的天線，而當馬德里的天線出現(xiàn)問題的時候，就無法保證它們隨時都可以使用了。因此斯科特開始使用天線陣，綜合多個小天線所獲得的信號來達到一個大天線的效果。“開始的時候我們采用2個 34米的天線，現(xiàn)在我們則要用4個，”他說。為了在2009年10月依然能維持目前的“斯皮策”數(shù)據(jù)傳輸率，DSN就需要1個70米的天線和1個30米的天線組成的天線陣。

與“斯皮策”的舞蹈

安排“斯皮策”和DSN的通訊是一件非常復雜的事情，通常由任務主管來負責。在這個過程中，地面會向探測器以及星上儀器發(fā)送一系列指令，然后探測器會向地面發(fā)送信號并且開始下載數(shù)據(jù)。

許多類似“卡西尼”這樣的探測任務在與地球可進行通訊的情況下，要求DSN一刻不離地緊盯著探測器，而這通常要持續(xù)許多個小時。但是對于“斯皮策”來說大約每天只需要兩次90分鐘的通訊即可。在每次和地面的通訊過程中，“斯皮策”會把它的高增益X波段天線對準地球，然后等待地面的指令，之后就會在接下去的20-60分鐘里向地面?zhèn)鬏斢^測數(shù)據(jù)。“斯皮策”上2千兆的內(nèi)存可以儲存3次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

當“斯皮策”向地面發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，地面也會向它發(fā)出新的指令。為此“斯皮策”的控制人員會花上5周的時間來編寫和測試這些指令。“我們總是試圖‘喂飽’它，”斯科特說。

這些指令包括了下一次觀測的安排、儀器的校準以及通訊的時間，并且還會告訴它刪除先前已經(jīng)發(fā)回地面的數(shù)據(jù)以及發(fā)送那么沒有接收到的數(shù)據(jù)。

斯科特說，我們沒有很多時間來一下子把所有的事情都做了。而且一旦“斯皮策”完成了下行的數(shù)據(jù)傳輸，它就會繼續(xù)觀測而不理會控制小組的上行指令是否到位，除非控制小組直接對其進行干預。“這就像跳舞，”他說，“你必須隨著你的舞伴一起移動，并且隨時準備接住你的舞伴。你不得不在這些通訊的過程中全神貫注，這也正是‘斯皮策’難以操縱管理的原因。”

然而，斯科特認為這樣的高交互式通訊會越來越普遍。“這使得我們可以靈活性地完成不同的觀測，”他說，“我們是第一批采用這一通訊方式的探測任務之一，并且我認為這在未來5年～10年里會變得越來越普遍。”

DSN也在促進著自身的變化。根據(jù)JPL的馬克·約翰斯頓的估計，到2030年DSN所要支持的探測任務數(shù)量會達到現(xiàn)在3倍，而數(shù)據(jù)量則會超過現(xiàn)在的100倍以上。做出這一預期的原因之一是很多計劃中的探測任務都將采用由多顆探測器組成的“星座”集群。

為了跟上發(fā)展的步伐，DSN也在研究更大型的陣列。與采用一系列相對較大型的天線不同，新的深空測控網(wǎng)將采用400面12米的中型天線。研究顯示三個這樣沿經(jīng)度以120°為間隔分布的陣列可以把目前的空間通訊能力提高10倍。

無論DSN的未來會是什么樣子，它無疑是我們唯一真正的行星際橋梁。與它保持著聯(lián)系的“旅行者”號已經(jīng)飛到了太陽系的邊緣。“我一直著迷于這一空間探測中不可或缺的通訊工具，”邁克爾·羅德里格斯說，“每當和人們談起它的時候都會提醒我它是多么的獨一無二。”

相關鏈接

美國深空測控網(wǎng)的簡史

1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“人造衛(wèi)星”1號。做為回應，美國在1958年1月31日發(fā)射了由加州理工學院噴氣推進實驗室（JPL）設計制造的人造衛(wèi)星“探險者”1號。

但是當時JPL的主任生于新西蘭的威廉·皮克林已經(jīng)把目光放到了地球軌道以外。他想把小型探測器送往月球，但是能與這樣一個距離超過“探險者”1,000倍以上的探測器建立通訊的系統(tǒng)當時并不存在。

而探測器和地球之間的無線電聯(lián)系又是非常重要的。除了能發(fā)回科學數(shù)據(jù)以外，它還能告訴我們探測器的速度、加速度以及探測器上各個系統(tǒng)的“健康”狀況。

任何一個想要和月球探測器之間建立通訊的跟蹤站都要避開無線電干擾。1958年3月，JPL選中了位于沙漠之中的金石。當時一個被廢棄的礦井是那里數(shù)千米范圍之內(nèi)唯一的建筑。

金石跟蹤站有一架直徑26米的天線，它是深空測控網(wǎng)中的第一個天線。它剛好在1958年12月6日“先驅者”3號月球探測器發(fā)射之前投入使用。不過“先驅者”3號最終并沒有飛掠月球，但是它發(fā)回了有關地球輻射帶的數(shù)據(jù)。之后，這架天線便以“先驅者”的名字命名，成為“先驅者深空測控站”。

1959年3月3日發(fā)射的“先驅者”4號從距離月球6.02萬千米的地方飛過，并且進入了一條太陽軌道。先驅者深空測控站一直跟蹤這個探測器到了距離地球65.5萬千米的地方，創(chuàng)下了當時空間通訊的紀錄。

1985年，美國內(nèi)政部將先驅者深空測控站定為了國家歷史標志。

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